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材料的高温力学性能研究【引言】近年来，随着工业化进程的加快和技术的不断发展，对材料在高温环境下的力学性能要求越来越高。
了解材料在高温下的力学行为并研究其高温力学性能，对于工程材料的选择和设计至关重要。
本文将探讨材料的高温力学性能研究的相关内容。
【材料的高温行为】材料的高温行为是指在高温条件下，材料所表现出的力学行为。
高温环境下，材料可能会发生塑性变形、蠕变、疲劳等现象。
了解材料的高温行为可以帮助我们预测材料在高温条件下的使用寿命和性能。
1. 塑性变形塑性变形是指材料在高温条件下的可塑性。
高温下，材料的晶体结构更容易发生滑移和扩散，使得材料发生塑性变形的能力增强。
经过研究发现，材料的塑性变形在高温下呈现出不同于常温下的特点，例如流变速率的增加和变形机制的改变。
2. 蠕变蠕变是材料在高温条件下的变形现象，即在恒载荷作用下，随着时间的延续，材料的形状发生持续变化。
高温下，材料的蠕变速率较大，可能会引起结构的变形和破坏。
因此，对材料的蠕变行为进行深入研究，有助于预测材料在高温条件下的性能和寿命。
3. 疲劳疲劳是指材料在高温下由于长时间交替或循环加载造成的损伤。
高温环境下，由于材料的热膨胀和热应力的作用，疲劳寿命会减少。
因此，对材料的疲劳性能进行研究，可以为材料的高温应用提供重要参考。
【材料的高温力学性能测试与研究方法】为了了解材料在高温条件下的力学性能，需要通过实验和模拟来进行研究。
以下将介绍几种常用的测试和研究方法。
1. 热膨胀测试热膨胀测试是通过测量材料在不同温度下的膨胀系数来研究材料的热膨胀性能。
通过该测试可以了解材料在高温下的热膨胀行为及其与温度的关系。
2. 破裂韧性测试破裂韧性测试是通过测量材料在高温条件下的断裂性能来评估材料的高温强度。
常用的方法有冲击试验和拉伸试验，通过对材料在高温下的断裂断口形貌和机械性能指标的分析，可以评估材料在高温条件下的耐久性。
3. 动态力学测试动态力学测试是通过施加动态载荷，测量材料响应的力学性能。
陶瓷的力学性能陶瓷材料的化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂而表面能小。
因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。
因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。
本节主要讨论弹性、硬度、强度、韧性及其组织结构因素、环境因素的影响。
一．弹性性能1.弹性和弹性模量陶瓷材料为脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。
因此，其弹性性质就显得尤为重要。
与其他固体材料一样。
陶瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。
陶瓷的弹性变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。
弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。
表11.3给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。
2.温度对弹性模量的影响由于原子间距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。
原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2)而该处曲线的斜率变缓，即弹性模量降低。
因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。
图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。
一般来说，热膨胀系数小的物质，往往具有较高的弹性模量。
3.弹性模量与熔点的关系物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小。
一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。
不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧化物＜氯化物＜硼化挪＜碳化物。
泊松比也是描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。
表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。
可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属材制的泊松比。
4.弹性模量与材料致密度的关系陶瓷材料的致密度对其弹性模量影响很大。
图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算值的比较。
Fros指出弹性模量与气孔率之间将会指数关系E=E0exp(-BP)式中B--常数。
江苏大学硕士学位论文内生颗粒增强铝基复合材料的组织优化与力学性能研究姓名：许可申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：赵玉涛20070501３．２．２Ａ３５６一Ｚｒ（ＣＯ。
）：体系原位制备复合材料的微观组织图３．２ａ为Ａ３５６－Ｚｒ（Ｃ０３）２体系原位反应生成复合材料的ＳＥＭ组织。
图３．２ｂ为其相应的商倍组织，从图中可以看到，白色颗粒弥散分布于基体中，颗粒呈球形或橄榄形，其颗粒尺寸大部分为３ｔｕｎ～４１ｕｎ，部分小于２９ｍ。
经电子探针分析（图３．３），白色颗粒为Ａ１３ｚｒ和Ａ１２０３颗粒。
（ａ）低倍组织（ｂ）高倍组织图３．２Ａ３５６－Ｚｒ（Ｃ０３ｈ体系原位反应生成复合材料的微观组织Ｆｉｇ．３．２ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆａｂｄｃａｔｅｄｆｒｏｍＡ３５６－Ｚｒ（Ｃ０３ｈｓｙｓｔｅｍ．目Ⅻ㈣Ｗｔ％ｍ鳍Ｊ●Ｅ∞ｌｍ喇￥％Ａｔ％ＯＫ４ｔ２８５４２４继５９７２４５７６纠１００００ｔ００∞ｉ。
（ａ）Ａ１３Ｚｒ相（ｂ）Ａ１２０３相图３．３Ａ３５６－Ｚｒ（ＣＯ，）２体系反应合成复合材料的微观组织中颗粒相分析Ｆｉｇ．３．３ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｐｈａｓｅｉｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍＡ３５６－Ｚｒ（Ｃ０３ｈ图３．４ａ为Ａ３５６一Ｚｒ（Ｃ０３）２体系原位反应生成复合材料经［ＩＦ深腐蚀试样的微观组织，清楚的显示了复合材料基体Ａ３５６中的Ｓｉ相形貌：图３．４ｂ为其相应的高倍组织。
由图可见，原位反应所得复合材料中的共晶Ｓｉ相仍以针状形态存在。
（ａ）低倍组织（ｂ）高倍组织图３．４Ａ３５６－Ｚｒ（Ｃ０３）２体系原位合成复合材料的基体Ａ３５６中Ｓｉ相形貌（ＳＥＭ，深腐蚀试样）Ｆｉｇ．３．４ＭｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆＳｉｉｎｔｈｅＡ３５６ｍａｔｒｉｘｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｆｒｏｍＡ３５６－Ｚｒ（Ｃ０３）２ｓｙｓｔｅｍ（ＳＥＭ，ｄｅｅｐ－ｅｔｃｈｅｄｓａｍｐｌｅ）．３．３Ａ３５６－Ｋ：ＺｒＦ６体系原位制备复合材料的微结构３．３．１＾３５６－ｇ。
《材料科学基础》名词解释AOrowan mechanism （奥罗万机制）位错绕过第二相粒子，形成包围第二相粒子的位错环的机制。
Austenite(奥氏体)碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。
B布拉菲点阵除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。
Half-coherent interface（半共格相界）两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面弹性应变能。
这时两相原子部分保持匹配，这样的界面称为半共格界面。
Sheet texture（板织构）轧板时形成的组织的择优取向。
Peritectic reaction（包晶反应）固相和液相生成另一成分的固溶体的反应Peritectic segregation（包晶偏析）新生成的固相的芯部保留残余的原有固相，新相本身成分也不均匀。
Peritectic phase diagram（包晶相图）具有包晶反应的相图Peritectoid reaction（包析反应）由两个固相反应得到一个固相的过程为包析反应。
Cellular structure（胞状结构）成分过冷区很小时，固相突出部分局限在很小区域内，不生成侧向枝晶。
Intrinstic diffusion coefficient（本征扩散系数）依赖热缺陷进行的扩散的扩散系数。
Transformed ledeburite（变态莱氏体）渗碳体和奥氏体组成的莱氏体冷却至727℃时奥氏体发生共析反应转变为珠光体，此时称变态莱氏体。
Deformation twins（变形孪晶）晶体通过孪生方式发生塑性变形时产生的孪晶（BCC，HCP）Chill zone（表层细晶区）和低温铸模模壁接触，强烈过冷形成的细小的方向杂乱的等轴晶粒细晶区。
Burger’s vector（柏氏矢量）表征位错引起的晶格点阵畸变大小和方向的物理量。
Asymmetric tilt boundary（不对称倾斜晶界）晶界两侧晶粒不对称的小角度晶界，界面含两套垂直的刃型位错。
铝3003屈服应力和塑性应变
对于3003铝合金而言，热变形流变应力与变形条件之间的内在联系可以采用一定的函数关系式表示【10-11】。
合金的峰值流变应力是制定材料热变形工艺的一个重要参数，它一般在应变较小的时刻出现。
峰值应力对温升的修正并不敏感，因此一般取相应的应变速率ε和变形温度Ｔ条件下的真实峰值应力来建立本构方程。
本文假设合金的峰值流变应力符合双曲正弦数学模型。
１．3003铝合金在高温变形条件下的流变应力σ、
应变速率ε和变形温度Ｔ之间满足下列关系式ε=８．５５×１０１４ｓｉｎｈ（０．０１９７σ）８．５４９２×ｅｘｐ［－１７４．６２／（ＲＴ）］，且模型的预测流变应力值与实测流变应力值的相对误差控制在±７％范围以内，结果较为理想。
２．建立了动态再结晶开始时间Ｒｓ和变形温度关系之间的ＲＴＴ图，且Ｒｓ随着变形温度的降低以及应变速率的减小而增大。
３．通过流变应力曲线计算动态再结晶体积比例其大小随应变速率的减小和变形温度的升高而增大，６１８ＭＰａ；焊缝显微硬度随着焊接温度的升高而降低，由ＴＢ＝１２００℃时的３３０ＨＶ降低到ＴＢ＝１２２０℃时的２５９ＨＶ。
铝合金的高温力学性能研究随着科学技术的不断进步和工业的发展，材料科学研究日益受到关注。
铝合金作为一种优质的轻质金属材料，在航空航天、汽车制造、建筑、电子等领域得到了广泛应用。
然而，在高温环境下，铝合金的力学性能可能会发生变化，因此对其高温力学性能的研究至关重要。
高温条件下，铝合金的力学性能主要包括抗拉强度、屈服强度和断裂韧性等方面。
为了研究这些性能的变化规律，研究人员采用了多种实验方法和数值模拟技术。
首先，采用拉伸试验是研究铝合金高温力学性能的常用方法之一。
研究人员通常在高温下对铝合金进行拉伸试验，测量其应力-应变曲线，从而得到抗拉强度和屈服强度等力学性能参数。
这些实验可以帮助研究人员了解铝合金在高温下的变形行为和力学性能变化规律。
其次，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等显微镜技术被广泛应用于铝合金高温力学性能的研究中。
这些技术可以观察和分析铝合金的微观结构和微观组织，揭示材料的晶粒生长、晶界滑移和相变等变化过程。
通过这些观察，研究人员可以更好地理解铝合金在高温下的力学性能变化机制。
此外，数值模拟技术在铝合金高温力学性能研究中也发挥着重要作用。
有限元分析（FEA）和分子动力学模拟（MD）等方法可以模拟和预测材料在高温下的变形行为和力学性能。
通过调整模拟参数，研究人员可以研究不同条件下铝合金的高温力学性能。
这些数值模拟结果可以为实验设计和材料开发提供重要的指导。
通过以上方法和技术，研究人员对铝合金的高温力学性能进行了广泛而深入的研究。
一些研究发现，高温条件下，铝合金的抗拉强度和屈服强度可能会降低，其主要原因是晶格缺陷的形成和扩散增加了材料的位错密度。
此外，铝合金的断裂韧性也可能会受到高温的影响，从而导致材料的脆性断裂。
为了改善铝合金的高温力学性能，研究人员还进行了许多工艺改进和合金设计。
例如，通过合金化添加稀土元素、微合金元素和过渡金属等，可以增强铝合金的高温强度和耐热性。
此外，采用热处理和表面涂层等工艺也可以改善铝合金的高温力学性能。
